X波段T/R組件金絲鍵合可靠性研究

王棟良 閆非凡 杜選勤 曾雨婷 李玉蘭

摘要：T/R組件金絲鍵合數目龐大，鍵合前組件經歷多道工序，鍵合界面種類繁多，相應的工藝難度大。以某型X波段T/R組件金絲鍵合微組裝工藝為研究對象，詳細描述了金絲鍵合的失效模式，分析了失效原因，并對金絲鍵合工藝進行了優化，優化后工藝的可靠性得到了大幅提升。

關鍵詞：T/R組件;金絲鍵合;可靠性

0 引言

目前，X波段T/R組件大量應用于機載、艦載及地面有源相控陣雷達，其數量大、價值高，是有源相控陣雷達的核心部件。X波段T/R組件集成度高，組裝工藝復雜，既包括無源器件表面貼裝、低溫共燒陶瓷（LTCC）基板與殼體的大面積焊接、射頻連接器與殼體的焊接等溫度梯度焊接工藝，又包括微波MMIC裸芯片環氧粘接、共晶焊接以及金絲鍵合等先進微組裝工藝。此外，不同的工藝之間還需加入合適的清洗過程，以保證組件工藝的可靠性[1]。在T/R組件工藝過程中，金絲鍵合至關重要，一方面因其起著電氣/信號互連的作用，另一方面因數量較大，單個組件就有數百根金絲，如果工藝控制不當，有可能造成組件因個別鍵合點失效而無法實現功能的情況[2]。

為了制成高可靠T/R組件，本文結合某型X波段T/R組件的工藝過程，研究分析了金絲鍵合失效的現象和原因，通過改進工藝，降低了金絲鍵合失效風險，滿足了X波段T/R組件的工藝需求。

1 X波段T/R組件金絲鍵合失效模式

X波段T/R組件工藝流程如圖1所示?？梢钥闯?，在金絲鍵合之前，組件已經歷多道焊接和清洗工藝，如果鍵合前任何一步工藝處理不當都有可能造成金絲鍵合焊盤表面沾污受損，從而影響鍵合可靠性。T/R組件金絲鍵合的狀態多，包括Si芯片LTCC、GaAs芯片LTCC、GaAs芯片Rogers、GaAs芯片GaAs芯片、LTCC-Rogers等多種狀態，不同狀態對應的鍵合界面不同，相應的工藝難度也有差異。

為了充分把握金絲鍵合的可靠性規律，研究中對X波段T/R組件內部共402根直徑為25 μm的金絲進行了100%破壞性拉力測試，以Sg拉力作為合格判據，測試結果合格金絲數量為369根，合格率為91.8%。33根拉力不合格金絲的失效現象分為兩大類，一類為鍵合點與焊盤脫離，鍵合拉力為零;另一類為從鍵合點根部斷裂，鍵合拉力接近零。更詳細的失效模式分類見圖2，可以看出，金絲從Si芯片端失效（包括脫離和斷裂）的比例較高，為17根，其次為從基板微帶線端失效，比較而言，在GaAs芯片端失效的比例最低。

1.1 微帶端失效

金絲鍵合從微帶端失效主要集中在兩處，一處為LTCC基板與Rogers基板連接處（圖3a），一處為低壓差穩壓器與鉭電容中間微帶處（圖3b），前者多為金絲與微帶脫離，即無鍵合強度，后者多為金絲從鍵合根部斷裂，鍵合拉力接近零。

分析原因，認為莉者與T/R組件的焊接及清洗工藝有關。T/R組件組裝過程中，LTCC、Rogers等微波基板與殼體之間采用96.5Sn3.5Ag焊膏進行焊接，之后采用無水乙醇清洗，由于基板與殼體之間、LTCC與Rogers之間間隙極小，很難保證其中殘留的助焊劑被徹底清洗干凈，即使表面清洗干凈，基板與殼體間隙或焊接界面處的助焊劑在后續環氧貼片排膠烘干或者金絲鍵合底部加熱過程中也會因受熱而沿著LTCC與Rogers基板的間隙溢出，污染鍵合焊盤，進而導致鍵合失效。

對于后者，主要由于鍵合過程中鍵合劈刀受旁邊鉭電容干涉所致。經測量，鉭電容側壁與基板微帶線間距約為0.75mm，小于鍵合劈刀半徑，金絲鍵合時，劈刀受鉭電容干涉無法下移接觸微帶線，為了克服該問題，鍵合時將T/R組件底部傾斜10°～20°，可保證劈刀能夠接觸微帶線，但是該做法會導致鍵合壓力不均勻、鍵合點變形嚴重或鍵合不充分等缺陷，最終造成鍵合失效。

1.2 Si芯片端失效

Si芯片端鍵合失效主要集中在波束控制專用電路芯片，如圖4所示。與在微帶電路及GaAs芯片表面上的Au焊盤不同，Si芯片表面為Al焊盤，在空氣中放置后容易在表面生成一層氧化膜，不利于鍵合。采用Au絲楔形鍵合工藝，能夠有效破除氧化膜并促進鍵合，工藝參數主要有鍵合壓力和超聲功率，鍵合力主要起促進Au絲塑性變形及金絲與焊盤金屬層緊密接觸作用，而超聲波振動則沿著鍵合焊盤金屬層“刮擦”從而形成鍵合界面，并產生機械互鎖，提高鍵合質量[3]。由于楔形鍵合主要是Au引線和Al焊盤金屬層之間的機械鍵合和互鎖，沒有任何冶金學反應，因此通常需要較大的鍵合力，但如果鍵合力過高有可能造成Au絲或焊盤變形嚴重、損傷或焊盤露底等缺陷。工藝中發現，采用25g鍵合壓力、180mW超聲功率進行Au絲鍵合，Si芯片鍵合點變形嚴重，拉力測試后Si芯片鍵合焊盤多數露底，如圖5所示，說明在鍵合過程中Al焊盤金屬層受損嚴重，需要重新對鍵合工藝參數進行優化。此外，該Si芯片Al焊盤尺寸及間距分別為90 μm×90μm和125 μm，焊盤尺寸小，間距窄，加之基板端由兩排焊盤構成，鍵合時需要在高拱高和低拱高間交替進行，這無疑增加了工藝難度。

1.3 GaAs芯片端失效

整體來看，金絲鍵合在GaAs芯片端失效的比例較低，約占所有鍵合數目的1%，主要位于功放芯片漏壓饋電端焊盤，該焊盤為功放芯片加電端，需要在100μm x 100μm的焊盤上鍵合2根25μm金絲，由于焊盤尺寸小，兩次鍵合點會重疊。研究中發現，如果工藝控制不當，在第二次鍵合時會使第一次的鍵合點變形過大，甚至產生裂紋，造成鍵合點的損傷，進而導致鍵合失效。因此，對于單個焊盤上金絲鍵合密度較高的情況應加強工藝過程的控制。

2 金絲鍵合可靠性改進措施

通過上述失效模式分析，認為可從以下幾方面來提高X波段T/R組件金絲鍵合的可靠性：一是改善清洗過程，二是進一步優化鍵合工藝參數，三是合理設計組件電路版圖，四是加強工藝操作過程控制。

2.1 清洗工藝改進

一方面，加強基板焊接、表貼及連接器焊接后的清洗，該過程主要采用無水乙醇清洗焊接后殘留的助焊劑，研究中通過浸泡加毛刷刷洗相結合的方法對組件進行清洗，對于LTCC與Rogers基板間隙處、基板與殼體間隙處的助焊劑，由于間隙狹小無法刷洗，可借助銀針、鍵合通針等工具將助焊劑剔除，確保在顯微鏡下不發現助焊劑殘留。另一方面，在芯片粘接后等離子清洗前引入氣相清洗，選擇溴丙烷作為清洗劑，其具有較強的清洗能力，能夠有效去除因芯片粘接后排膠烘干受熱導致的從基板底部縫隙中溢出的助焊劑。此外，研究中還對局部老化嚴重、鍵合可靠性不高的微帶嘗試了新型激光清洗工藝，如圖6所示，可以看出，經激光清洗后，金絲鍵合強度大大提高，由于該清洗工藝可針對局部微小區域單獨進行，定位精度高，清洗過程可控，因此在T/R組件高密度組裝、修理工藝過程中具有十分廣泛的應用前景。

2.2 鍵合工藝參數優化

區別對待Si芯片和GaAs芯片鍵合工藝，并重新優化Si芯片鍵合參數。針對Si芯片Al焊盤表面因容易氧化而不利于鍵合的問題，通過增加鍵合超聲功率來增加劈刀與焊盤之間的刮擦，將焊盤表面氧化層去除，促進鍵合界面的形成，提高金絲鍵合互鎖能力。同時，降低鍵合壓力，減輕劈刀對鍵合焊盤金屬層的沖擊和擠壓，保證金屬層的完好，提高鍵合可靠性。最終，優化后的Si芯片端鍵合工藝參數為：鍵合壓力16g，超聲功率240mW，鍵合時間34ms。

2.3 電路版圖重新優化

針對因低壓差穩壓器與鉭電容間距過小而導致劈刀無法下移的問題，對鉭電容表貼焊盤位置進行了優化，在保證組件性能指標的前提下，適當將鉭電容表貼焊盤向遠離低壓差穩壓器方向移動，增加低壓差穩壓器芯片與鉭電容之間的距離，確保二者之間有足夠的空間能夠容納劈刀的運動。

2.4 工藝操作過程控制

金絲鍵合為關鍵工藝，由專門人員進行操作，每天應在正式產品裝配前進行設備狀態穩定性評價。產品裝配過程中嚴格控制金絲拱高、跨距、鍵合點形貌，尤其對單個焊盤上鍵合兩根甚至三根金絲的情況，保證單個鍵合點寬度和長度分別約為金絲直徑的1.2倍和1.5倍，防止鍵合點之間相互擠壓變形嚴重，并進行鍵合拉力測試，保證工藝的一致性和可靠性。

通過上述工藝優化，較好地完成了X波段T/R組件的鍵合工藝，在隨后的T/R組件中，對之前鍵合易失效部位的金絲進行了100%非破壞性拉力測試，合格判據為3g，測試結果為100%合格，說明T/R組件金絲鍵合工藝可靠性得到了明顯提高。

3 結論

本文以某型X波段T/R組件金絲鍵合微組裝工藝為研究對象，討論了金絲鍵合在基板微帶線端、Si芯片端和GaAs芯片端等不同鍵合狀態下的失效模式，分析了失效原因，結論為鍵合前的清洗工藝、鍵合參數、組件版圖設計布局及工藝過程控制是影響金絲鍵合可靠性的重要因素。通過優化上述工藝過程和參數，使X波段T/R組件金絲鍵合可靠性大大提升，組件中30余根易失效部位金絲的可靠性從拉力強度為零提升至100%非損拉力合格，保證了TfR組件的性能。

參考文獻

[1]胡明春，周志鵬，嚴偉.相控陣雷達收發組件技術[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2]吳偉，林文海.提高混裝多芯片微波組件中鍵合可靠性研究[J].電子工藝技術.2017，3 8（3）： 141-143.

[3]沙帕拉.K.普拉薩德著，劉亞強譯.復雜的引線鍵合互連工藝[M].北京：中國宇航出版社，2015.